湯潔，張士萍，宗蘭，顧月琴

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

基于滲透性評(píng)價(jià)混凝土耐久性研究綜述

湯潔1，張士萍2，宗蘭2，顧月琴1

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

混凝土的滲透性與混凝土的耐久性緊密聯(lián)系，是評(píng)定混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。滲透性控制著水、氣體以及其他侵蝕性離子在混凝土中的傳輸速率，表征混凝土的滲透性可以通過(guò)不同介質(zhì)來(lái)測(cè)定。文章綜述了目前各種滲透性測(cè)試的方法、適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，指出研究三種滲透性表征方法之間相關(guān)性的必要性。

混凝土；耐久性；滲透性；試驗(yàn)方法

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點(diǎn)且造價(jià)較低，已被廣泛應(yīng)用于房屋建筑、水利設(shè)施、隧道和海洋開(kāi)發(fā)等工程中。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上應(yīng)用最為“廣泛的結(jié)構(gòu)形式”[1]。長(zhǎng)久以來(lái)，人們認(rèn)為混凝土是耐久性的材料，但近幾十年來(lái)，以混凝土為主體材料的工程過(guò)早劣化的事例在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題是協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、能源和環(huán)境保護(hù)之間矛盾，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已無(wú)法回避，刻不容緩[2]。Mehta基于整體論，指出混凝土在外界環(huán)境作用下而劣化的“整體模型”[3]，該模型中提出，混凝土的劣化，不管是何種破壞(凍融破壞、鋼筋銹蝕、堿—骨料反應(yīng)等)，滲透性的好壞是導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂的重要原因。廣義的混凝土滲透性是指“氣體、液體或者離子在壓力梯度、濃度梯度或者電位梯度作用下，由高壓力、高濃度、高電位向低壓力、低濃度、低電位方向滲透、擴(kuò)散或遷移的性質(zhì)或能力”。因此，表征混凝土耐久性的抗?jié)B指標(biāo)可以通過(guò)其抗水滲透性、抗氣體滲透性和抗離子滲透性來(lái)表達(dá)。

1 抗水滲透性

圖1 混凝土中水的傳輸過(guò)程影響

混凝土是一種多孔材料，其耐久性與混凝土的傳質(zhì)能力相關(guān)?；炷恋钠茐?碳化、鋼筋銹蝕、堿—骨料反應(yīng)等)都是在有水分的參與下發(fā)生的，其抗水滲透性在一定程度上能很好地評(píng)價(jià)混凝土耐久性。水分在混凝土中的傳輸過(guò)程受到擴(kuò)散作用、毛細(xì)管效應(yīng)和滲透效應(yīng)的影響，具體如圖1所示[4]。

評(píng)價(jià)混凝土抗水滲透性的方法有多種，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009關(guān)于混凝土抗水滲透試驗(yàn)規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法：一種是滲水高度法，另一種是逐級(jí)加壓法。滲水高度法采用上口直徑、下口直徑分別為175 mm、185 mm，高度為150 mm的圓臺(tái)體混凝土試塊，一組6個(gè)，在恒定水壓力(1.2±0.05)MPa下測(cè)試24 h內(nèi)水滲入混凝土的高度，以此來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗水滲透性能。計(jì)算式如下：式中：hj—第i個(gè)試件第j個(gè)測(cè)點(diǎn)處的滲水高度（mm）；—第i個(gè)試件的平均滲水高度（mm），應(yīng)以10個(gè)測(cè)點(diǎn)滲水高度的平均值作為該試件滲水高度的測(cè)定值?！唤M6個(gè)試件的平均滲水高度（mm），應(yīng)以一組6個(gè)試件滲水高度的算術(shù)平均值作為該組試件滲水高度的測(cè)定值。

通過(guò)滲水高度還可以直接計(jì)算出相對(duì)滲透系數(shù)，計(jì)算式如下：

式中：Kr—相對(duì)滲透系數(shù)（cm/h）；Dm—平均滲水高度（cm）；H—水壓力，以水柱高度表示（cm），1 MPa=10 200cm；T—恒壓時(shí)間，h；a—混凝土的吸水率，一般為0.03。

滲水高度法用于相對(duì)比較不同混凝土的滲透性，一般用于抗?jié)B等級(jí)較高、水灰比較低的混凝土。

逐級(jí)加壓法是從原標(biāo)準(zhǔn)GBJ 82—85的抗?jié)B標(biāo)號(hào)而來(lái)，基本保留了原標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，是通過(guò)逐級(jí)施加水壓力，以抗?jié)B等級(jí)來(lái)表達(dá)混凝土的抗水滲透性能，適用于抗?jié)B等級(jí)較低的混凝土，抗?jié)B等級(jí)可按下式計(jì)算：

式中：P—混凝土抗?jié)B等級(jí)；H—6個(gè)試件中有3個(gè)試件滲水時(shí)的水壓力(MPa)。

穩(wěn)定流動(dòng)法采用水壓式滲透測(cè)定儀，測(cè)定混凝土的滲水量，通過(guò)Darcy定律可計(jì)算得到滲透系數(shù)K，以此來(lái)評(píng)定混凝土抗?jié)B透性能，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。該法適合于具有較高滲透性的混凝土，對(duì)于低滲透性混凝土，依據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù)往往存在較大的試驗(yàn)誤差[5]。

R.P.Khatri和V.Sirvivatnanon[6]經(jīng)過(guò)研究，給出了選擇穩(wěn)定流動(dòng)法與滲透深度法的判定臨界條件：

如果2.3（T）2+1.1（Fc28）>10 400，采用滲透深度法；如果2.3（T）2+1.1（Fc28）<10 400，采用穩(wěn)定流動(dòng)法。其中T指混凝土的臨期，F(xiàn)c28指混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。

2 氣體滲透性

對(duì)于混凝土透氣性的研究，人們很早就給予了關(guān)注，但由于種種原因，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究成果較少，近十年來(lái)國(guó)內(nèi)在這方面的研究進(jìn)展緩慢。氣體滲透性是指氣體在混凝土中，由于受壓力、化學(xué)勢(shì)或電場(chǎng)的作用而發(fā)生滲透、擴(kuò)散或遷移的難易程度。多孔材料中氣體的擴(kuò)散在很大程度上受孔結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)多孔材料孔徑大小氣體在多孔材料中的擴(kuò)散主要有普通擴(kuò)散(Fick擴(kuò)散)、Knudsen擴(kuò)散和過(guò)渡區(qū)擴(kuò)散3種傳輸機(jī)制。用氣體來(lái)測(cè)定混凝土的滲透系數(shù)，常用的氣體有CO2、O2、N2等，事實(shí)上CO2在混凝土中的滲透其實(shí)就是碳化的過(guò)程，而用O2、N2也是常用的氣體。

評(píng)定氣體滲透性的試驗(yàn)方法有很多種，主要有兩類：一類是壓差穩(wěn)定法，比較有代表的是Cembureau法[7]。該方法是采用直徑為150 mm、厚為50 mm的圓盤試件，在環(huán)境為（50±5）℃的烘箱中烘干至恒重，然后放于試驗(yàn)中，一端通大氣，另一端施加恒定氣體壓力，30 min后測(cè)定氣體流速，通過(guò)公式計(jì)算該壓力下氣體的滲透系數(shù)kg；另一類是壓差變化法，主要是指Figg法。

應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)的TORRENT法[8]是一種測(cè)試混凝土空氣滲透性能的新方法，在我國(guó)應(yīng)用此種方法測(cè)試混凝土空氣滲透性能的報(bào)道還較少。石亮等[9]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)TORRENT測(cè)試方法的校正進(jìn)行了研究，并分析了混凝土密封狀態(tài)、濕度、孔隙連通程度對(duì)TORRENT空氣滲透性能測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果表明，內(nèi)腔殘余氣壓的扣除是TORRENT測(cè)試方法校正的關(guān)鍵，相比于試件密封狀態(tài)，濕度與孔隙連通程度對(duì)TORRENT法空氣滲透性能的測(cè)試結(jié)果影響更為明顯，TORRENT法在中低密實(shí)程度混凝土空氣滲透性能測(cè)試過(guò)程中誤差較小。

3 抗氯離子滲透性

引起鋼筋銹蝕的最主要原因之一就是氯離子的侵入，氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，一部分與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以結(jié)合氯離子存在；其余部分則以自由離子狀態(tài)存在于混凝土孔溶液中，自由氯離子半徑很小(1.81 pm),并且具有很強(qiáng)的穿透能力，容易破壞鋼筋表面鈍化膜，形成腐蝕電池，還起到去極化、導(dǎo)電作用，加速了鋼筋的銹蝕，嚴(yán)重威脅混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。當(dāng)混凝土暴露在具有氯鹽環(huán)境中時(shí)，氯離子侵入混凝土中具有多種機(jī)制，Hooton[10]指出“遷移機(jī)制至少有6種：吸附、擴(kuò)散、結(jié)合、滲透、毛細(xì)作用和彌散等”。

測(cè)定氯離子遷移滲透的方法有多種，一般按測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短，可分為慢速法、快速法(加速法)和其他方法。測(cè)定氯離子在混凝土中的輸移性能的慢速法，比較有影響的有如下幾種：擴(kuò)散槽法(暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn))、自然浸泡法(AASHTO T 259)以及高濃度鹽溶液浸泡法(NordTest NTBuild 443)等。采用浸泡法或者擴(kuò)散槽法，能夠較客觀真實(shí)地反映氯離子在混凝土中的傳輸速率，缺點(diǎn)是實(shí)用性差、耗時(shí)長(zhǎng)，即使提高浸泡溶液或擴(kuò)散槽上游的氯離子濃度，往往仍需數(shù)月或數(shù)年。

測(cè)試氯離子在混凝土中的輸移性能的快速法，比較有影響的大致有以下幾種[11]：庫(kù)侖法或電量法（ASTM C 1202和AASHTO T 277）、穩(wěn)態(tài)電遷移法（NordTest NT-Build 355）、RCM法(NordTest NTBuild 492)、電阻（導(dǎo)）率法（中國(guó)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DT/T 5150-2001）、交流阻抗譜法和壓力滲透法（目前暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)）。

電通量法是利用外加電場(chǎng)來(lái)加速混凝土試件兩端溶液離子的輸移速率，該法不適用于摻有亞硝酸鹽和鋼纖維等良導(dǎo)電材料的混凝土，其優(yōu)點(diǎn)是能快速地反映普通混凝土的滲透性，但也存在很多缺點(diǎn)(如試驗(yàn)結(jié)果精度較差、試驗(yàn)反映的是總體離子的運(yùn)動(dòng)結(jié)果等)。電遷移技術(shù)采用的裝置與庫(kù)侖法類似，但施加的進(jìn)行加速的外加電場(chǎng)可低至12 V的直流電壓，并與混凝土孔隙率存在很好的相關(guān)性，該法適用于滲透性較低的HPC的滲透性評(píng)價(jià)。

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T50082—2009規(guī)定的RCM法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)最早由唐路平等人[12]提出，該方法通過(guò)測(cè)定氯離子在混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)來(lái)表征混凝土抗氯離子滲透性能，此法操作簡(jiǎn)單實(shí)用，與高濃度鹽溶液浸泡法結(jié)果相關(guān)性很好，但對(duì)于已受氯鹽侵蝕和碳化的混凝土試塊則沒(méi)有辦法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。

北愛(ài)爾蘭女王大學(xué)P.A.M.Basheer[13]教授等人提出的，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定混凝土保護(hù)層抗氯離子滲透的Permit法，此法易于操作，試驗(yàn)過(guò)程用時(shí)短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，設(shè)備簡(jiǎn)單便攜，實(shí)務(wù)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)務(wù)裝置圖

一些學(xué)者對(duì)此法進(jìn)行了相關(guān)研究，明靜等[14]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，分析了Permit方法與RCM方法試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，Permit試驗(yàn)測(cè)定的混凝土氯離子滲透性指標(biāo)與RCM試驗(yàn)結(jié)果有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。吳立朋等[15]通過(guò)試驗(yàn)表明，“PERMIT”離子遷移測(cè)試結(jié)果與RCM快速氯離子遷移試驗(yàn)結(jié)果存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了“PERMIT”離子遷移方法與RCM快速氯離子遷移方法的關(guān)系。由于是無(wú)損檢測(cè)方法，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Permit方法比RCM法更具優(yōu)越性。

4 結(jié)語(yǔ)

滲透性是多孔結(jié)構(gòu)材料的本質(zhì)屬性之一，它表征的是材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)(大小、數(shù)量、分布和聯(lián)通)的狀況，控制著水、氣體以及其他侵蝕性離子在多孔材料中的傳輸速率?；炷磷鳛橐环N多孔材料，其滲透性與混凝土的耐久性(抗凍性、抗碳化性、鋼筋銹蝕等)有密切的關(guān)系，是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的一個(gè)綜合性指標(biāo)，應(yīng)繼續(xù)關(guān)注其試驗(yàn)方法的探索、創(chuàng)新及改進(jìn)。目前各種測(cè)試混凝土抗?jié)B性主要以在不同介質(zhì)種類(水、氣體、離子)中的抗?jié)B特性來(lái)表達(dá)，且其試驗(yàn)方法各有不同，得到的試驗(yàn)結(jié)果也不能進(jìn)行相互比較，因此研究三種滲透性表征方法之間的相關(guān)性將對(duì)綜合準(zhǔn)確評(píng)定混凝土滲透性有很大幫助，建議有更多學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國(guó)藩,金偉霞,貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]金偉良.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)[A].國(guó)家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部.建筑、環(huán)境與土木工程(土木工程卷)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告[C].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]Mehta P K.Concrete technology at the crossroads-problemsandopportunities[C].//Concrete Technology：Past，PresentandFuture.Farmington Hills:ACI SP-144,1994:1-31.

[4]Rose D.Water movement in unsaturated porous materials[J].Rilem Bulletin,1965,(29):119-124.

[5]趙鐵軍.混凝土滲透性[M].北京:科學(xué)出版社, 2006.

[6]R.P.Khatri,V.Sirvivatnanon.Methods for the determination of water permeability of concrete[J].ACI Materials Journal,1997，94（3）：257-261.

[7]周嘯塵.高性能混凝上氣體滲透性研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2004.

[8]R.Torrent,M.Basheer,A.F.Gonalves.Chapter 3 Non-destructive methods to measure gaspermeability [R].Non-destructive Evaluation of the Penetrability and Thickness of the Concrete Cover RILEM TC 189-NEC:State-of-the-Art Report,2007，(5): 35-70.

[9]石亮,吳燁,劉建忠.TORRENT法測(cè)試混凝土空氣滲透性能研究[J].混凝土與水泥制品，2012，(10):11-15.

[10]Hooton R D,Mcgrath P F.Issues related to recent developments in service life specifications for concrete structure[C]//Proceedings of the 1st international RILEM workshop on chloride penetration into concrete.Saint-Remy-Les-Chevreuse:RILEM, 1997:388-397.

[11]冷發(fā)光，周永祥，王晶.混凝土耐久及其檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2012.

[12]Tang L,Nilsson L.Chloride diffusivity in high strengthconerete[J].NordicconcreteResearch, 1992,11(1):162-170.

[13]Basheer P A M.Andrews R J.Robinson D J,et al.Permit ion migration test for measuring the chloride transport of concrete on site[J].NDT&E International，2005，(38):219-229.

[14]明靜,張亞梅,孫偉.Permit法研究氯離子滲透性及其與混凝土孔隙率的關(guān)系(英文)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2010，（9）:1707-1712.

[15]吳立朋,楊進(jìn)波,閻培渝.混凝土滲透性“PERMIT”測(cè)試方法探索[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2011，(4): 31-34.

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本刊編輯部

Permeability of the concrete works closely with the durability of concrete.It is an important indicator for assessing the durability of concrete.Permeability controls the water,gas and other aggressive ions in concrete transfer rates.Characterization of concrete permeability can be measured by different media.This paper reviews the current penetration testing methods,applicable conditions,advantages and disadvantages,and notes the necessity of correlation of the three permeability methods.

concrete；durability；permeability；test method

湯潔(1986-)，男，碩士，研究方向?yàn)榛炷聊途眯浴?/p>

嵐嶸）（

2014-6-10）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51108231）；江蘇省住建廳科技項(xiàng)目（2013ZD07）。